Neuronii comunică între ei la joncțiuni numite sinapse. Când ionii de calciu se deplasează în „zonele active”, care sunt populate cu vezicule care conțin mesaje chimice, aceștia încep să „comune”. Veziculele „contopesc” cu membranele exterioare ale neuronilor presinaptici datorită calciului încărcat electric, eliberând încărcătura lor chimică de comunicare către celula postsinaptică.
Un nou studiu al Institutului Picower pentru Învățare și Memorie la MIT dezvăluie modul în care neuronii creează și susțin această infrastructură vitală.
Canalele de calciu sunt o parte crucială a motorului pe partea presinaptică care transformă semnalele electrice în transmisie sinaptică chimică, deoarece acestea sunt determinantul principal al influxului de calciu, care apoi provoacă fuziunea veziculelor. Cu toate acestea, modul în care se acumulează în zonele active a fost neclar.
Acest nou studiu oferă indicii despre modul în care zonele active se acumulează și reglează abundența canalelor de calciu.
Troy Littleton, autor principal al noului studiu și profesor Menicon de neuroștiință în departamentele de biologie și științe ale creierului și cognitive ale MIT, a spus: „Modularea funcției canalelor presinaptice de calciu este cunoscută că are efecte clinice semnificative. Înțelegerea liniei de bază a modului în care aceste canale sunt reglementate este importantă.”
Sunt canalele de calciu esențiale pentru dezvoltarea zonelor active?
Oamenii de știință au vrut să determine răspunsul la această întrebare la larve. Trebuie remarcat faptul că gena canalului de calciu al muștei (numită „cacofonie” sau Cac) este atât de importantă încât nu pot trăi fără ea.
În loc să elimine Cac pe toată musca, oamenii de știință au folosit o tehnică pentru a elimina Cac într-o singură populație de neuroni. Ei au demonstrat că zonele active se dezvoltă în mod regulat chiar și fără Cac făcând acest lucru.
Au folosit și o altă tehnică care prelungește artificial stadiul larvar al muștei. Ei au descoperit că, având în vedere timp suplimentar, zona activă va continua să-și construiască structura cu o proteină numită BRP, dar acumularea de Cac încetează după șase zile normale.
S-a constatat, de asemenea, că creșterile sau scăderile moderate ale aportului de Cac disponibil în neuron nu au afectat cât de mult Cac a ajuns la fiecare zonă activă. Spre surprinderea lor, ei au descoperit că, deși numărul de Cac a crescut cu dimensiunea fiecărei zone active, abia se schimba dacă reduceau semnificativ BRP în zona activă. De fapt, neuronul părea să stabilească o limită constantă a cantității de Cac prezentă pentru fiecare zonă activă.
Postdoctoratul MIT Karen Cunningham a spus: „A fost revelator faptul că neuronul avea reguli foarte diferite pentru proteinele structurale din zona activă, cum ar fi BRP, care au continuat să se acumuleze în timp, față de canalul de calciu care era strâns reglat și avea abundența limitată.”
Pe lângă furnizarea de Cac sau modificările BRP, alți factori trebuie să regleze atât de strâns nivelurile de Cac. Au apelat la alpha2delta.
Manipulând genetic expresia cantității sale, oamenii de știință au descoperit că nivelurile alfa2delta au determinat direct cât de mult Cac s-a acumulat în zonele active. Experimente ulterioare au arătat, de asemenea, că aportul general de Cac al neuronului monitorizează capacitatea alpha2delta de a menține nivelurile de Cac.
Acesta sugerează că, în loc să controleze cantitatea de Cac în zonele active prin stabilizarea acesteia, alpha2delta probabil a funcționat în amonte, în timpul traficului de Cac, pentru a furniza și realimenta Cac în zonele active.
Folosind două tehnici diferite, ei au observat această reaprovizionare. Ei au generat, de asemenea, măsurători ale acestuia și ale momentului său.
Cunningham a ales un moment după câteva zile de dezvoltare să imagineze zonele active și a măsurat abundența Cac pentru a stabili peisajul. Apoi a înălbit acea fluorescență Cac pentru a o șterge. După 24 de ore, ea a vizualizat din nou fluorescența Cac pentru a evidenția doar noul Cac care a fost livrat în zonele active în acele 24 de ore.
Ea a observat că Cac a fost livrat în aproape toate zonele active în acea zi. Totuși, acea zi de muncă a fost, de fapt, nesemnificativă în comparație cu acumularea din zilele anterioare. Ea a văzut, de asemenea, că zonele active mai mari au acumulat mai mult Cac decât cele mai mici. În plus, nu a existat aproape nicio livrare nouă de Cac în modelele modificate alpha2delta Fly.
Următoarea sarcină a fost să se determine în ce ritm sunt eliminate canalele Cac din zonele active. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință au folosit o tehnică de colorare cu o proteină fotoconvertibilă numită Maple etichetată cu proteina Cac. Acest lucru le-a permis să schimbe culoarea cu un fulger de lumină la momentul ales de ea.
Procedând astfel, arată cât de mult Cac a acumulat într-un anumit timp (afișat cu verde) și apoi aprinde lumina intermitent pentru a transforma acel Cac în roșu. După cinci zile, aproape 30% din Cac roșu fusese înlocuit cu nou Cac verde. Această cifră de afaceri Cac s-a oprit atunci când nivelurile de livrare a Cac au fost reduse prin mutarea alfa2 delta sau prin reducerea biosintezei Cac.
Cunningham a spus, „Asta înseamnă că o cantitate semnificativă de Cac este turnată în fiecare zi în zonele active și că cifra de afaceri este determinată de livrarea de noi Cac.”
Littleton a spus, „Acum, că regulile de abundență și reaprovizionare a canalelor de calciu sunt clare, vreau să știu cum diferă atunci când neuronii suferă plasticitate – de exemplu atunci când noile informații primite necesită neuronilor să-și ajusteze comunicarea pentru a crește sau scădea comunicarea sinaptică.”
„Sunt, de asemenea, nerăbdător să urmăresc canalele individuale de calciu pe măsură ce sunt făcute în corpul celular și apoi să mă deplasez în jos pe axonul neural către zonele active și vrea să determine ce alte gene pot afecta abundența Cac.”
Referința jurnalului:
- Karen L Cunningham, Chad W Sauvola, Sara Tavana, J Troy Littleton. Reglarea abundenței canalelor presinaptice de Ca2+ la zonele active printr-un echilibru între livrare și cifra de afaceri. Neuroştiinţe. DOI: 10.7554 / eLife.78648
